基于装配式模块化的动态适应性居住空间营造——以极小住宅国际竞赛获奖作品为例.pdf

276摘要：在我国“碳达峰”“碳中和”背景下，依据绿色建筑发展要求，结合装配式模块化建筑技术，以 2022 年极小住宅国际建筑设计竞赛中获得特别提名奖的作品为例，提出一种兼具气候和空间适应性的动态适应性居住建筑模型，通过建筑局部构件在空间内 X、Y、Z 轴的位移调节室内居住环境以应对不同的气候条件和社会需求，综合应用可变结构设计、液压系统设计、被动式节能、主动式节能等技术，为疫情下模块化绿色建筑的设计提供新思路。Abstract：Under the background of peak carbon dioxide emissions and carbon neutrality in China,according to the development requirements of green building,taking the proposal which won the special mention award of 2022 The Tiny House international architectural design competition as an example,a dynamic-adaptive residential architecture model with both climate and space adaptability is introduced.The indoor living environment is adjusted by moving building components along spatial X,Y,Z axis to cope with different climate and social needs.The model integrates dynamic structure design,hydraulic system plugin,passive and active energy-saving technology,providing new ideas for designing modular green buildings in the epidemic era.关键词：动态适应性建筑；可变建筑构件；装配式；模块化；绿色节能设计Keywords：dynamic-adaptive architecture；dynamic building component；prefabricated；modularization；green energy-saving design文贾锐澜南昌大学设计研究院工程师硕 士吴闽南昌大学设计研究院副院长南昌大学建筑与设计学院教 授博士生导师一级注册建筑师（通讯作者）吴诗杭南昌大学DOI：10.19875/ki.jzywh.2023.10.086引言遏制气候变暖是当今全球面临的重大议题，人类活动对地球气候系统的影响一旦突破临界点，将导致不可逆转的变化。中国双碳大数据指数白皮书指出，在 2014 年，中国就已超过欧盟成为全球第一大二氧化碳排放经济体1。2020 年，我国宣布：“中国二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值、2060 年前实现碳中和。”2021 年，国务院先后出台多个碳达峰、碳中和的顶层设计文件，大力推动建筑材料和建筑节能、大力发展智能化建筑和智慧社区等成为减排的关键举措。在此背景下，自 2020 年起，我国绿色建筑发展进入快速成长阶段2。建筑大师柯布西耶在 1923 年提出“住宅是居住的机器”，但当下，“机器”已不仅仅是个比喻的概念，更是连接人类生存空间与自然环境的桥梁，智能建造时代下的建筑有需求，更有责任去适应变化的气候以及疫情下的不确定性。因此，一种提倡有机的、可应对多变的环境和社会需求的建筑观念从时代的思潮中脱颖而出动态适应性建筑正是其中的典型代表。本文从绿色可持续发展角度出发，旨在探讨动态适应性建筑的实现手段，结合我国行业技术及政策背景，以笔者在 2022 年国际建筑设计竞赛 The Tiny House 中的获奖作品为例，提出一种具有动态适应性的装配式住宅设计模型，期望从生态与社会两个层面为我国绿色建筑的发展提供新思路。1 动态适应性建筑对于适应性建筑（Adaptive Architecture）的释义，学界至今还未做出统一的解释，普遍认为适应性建筑是一个广义的概念，即以适应环境（Environment）或使用者（Inhabitants）或内部物件（Objects Within Them）为主要目标而设计的建筑3。“形式追随功能”，对于深受功能主义影响的现代主义建筑，所有建筑在某种程度上都具有“适应性”。Brand 在1994 年 的 著 作How Buildngs Learn 中 对建 筑 的 适 应 性 程 度（Levels of Adaptation）做出了分级4，以此为基础，逐渐细分出了多个与适应性建筑相关的名词概念，例如：互 动 建 筑（Interactive Architecture）5、动态 建 筑（Dynamic Architecture）6、弹 性建 筑（Flexible Architecture）7、智 能 建 筑（Intelligent Architecture）8和智慧建筑（Smart Architecture）9等10。Lelieveld 依据技术层面的复杂程度对以上概念做出了排序，从低到高分别是：弹性建筑、动态建筑、互动建筑、智能建筑、智慧建筑11。其中，动态建筑与传统“静态建筑”的概念相对应，指基于技术手段、可应对外部或内部因素的改变而自动产生形变的建筑。与弹性建筑相比，动态建筑侧重使用自动化控制系统，对数据的变化反应高效；相较Construction of Dynamic-adaptive Residential Space based on Prefabricated Modular Technology:Taking the Winning Proposal of 2022 The Tiny House international architectural design competition as an Example基于装配式模块化的动态适应性居住空间营造以极小住宅国际竞赛获奖作品为例277235|2023|10专题于智慧建筑，动态建筑更强调子系统的独立性，在构造与技术上更为实用可行。本文将局部形态可变的动态建筑作为主要研究对象，统称为动态适应性建筑，以明晰其概念内涵。动态适应性是提升建筑可持续性的一个重要属性：（1）社会层面，灵活多变的建筑外观或空间布局可适应多面的社会需求，减少使用局限，同时有助于促进人与人或人与环境间的交流；（2）个人层面，动态适应性建筑对改善室内环境、提升舒适度和生活质量方面有更高的追求；（3）生态层面，有利于“开源节流”，减少资源与能源的消耗，实现自给自足。但与此同时，动态适应性建筑的实践也面临着挑战；（1）策略与效用之间的矛盾，为顺应节能减排的要求，针对光、热、电、水、空间等方面需要分别提出对应策略，同时还需考虑到变化的环境及需求，因此，在策略上容易出现繁复、分散、过度设计的问题，甚至造成不必要的浪费；（2）实践与成本之间的矛盾，可变系统操作复杂、构件易损坏、维修难度大、成本高12。这在一定程度上限制了动态适应性建筑的发展，使许多创新设计难以走向实际应用，无法发挥其在节能环保、可持续发展中的价值。因此，寻求动态适应性建筑的应用情景，发掘改善困境的新技术、新举措，最大化其效用是十分必要的。2 装配式模块化建筑2022 年，住建部印发了“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划，绿色建造行业的相关配套政策、技术标准逐步完善。在生态环境与社会环境的双重要求下，装配式建筑无论在生产制造、现场施工的效率与效益方面，还是材料构件的重复利用等节能方面都具有突出优势，同时，与传统建筑相比，装配式建筑的碳排放量在全生命周期内大幅度减少。利用装配式技术的优势，模块化设计与生产可适当缓解动态适应性建筑在实践中的矛盾：（1）在设计与测试阶段，可对每个模块的全生命周期能效进行充分测算，对使用效果进行模拟测试，并作出相应调整，保障整体模块的适应能力在投入使用后的实际效果。（2）在生产阶段，通过可变构件批量化的工厂预制来降低平均成本，同时标准化的构件也便于后期维护替换。另外，若在生产时对构件编码进行全生命周期追溯，可在后期跟踪构件使用状况，便于维修替换以及重复利用，减少资源浪费13。（3）在安装阶段，建造周期缩短，人工成本降低，可减少现场作业产生的建筑垃圾和能源消耗，同时高效的安装模式有助于后期的加建、拆卸、转移等工作，促进建筑使用寿命的延长。（4）在推广与销售阶段，模块化产品的审美价值与实用价值在市场上共同作用，用户接触的不仅是冰冷的技术、材料，通过多变的场景体验和舒适的视觉享受，更加传播了一种绿色生活方式和可持续发展理念。3以国际竞赛 The Tiny House获奖作品为例笔者在 2022 年国际建筑设计竞赛 The Tiny House 的获奖作品中，提出了一种可应用于临时住宅的动态适应性建筑模型。该模型将被动式节能措施、主动式节能技术以及装配式建筑技术一体化紧密结合，以零能耗为目标，营造了兼具环保理念和人文关怀的动态居住空间，从室内微气候与微空间两个层面反映建筑的适应性。建筑结构中采用了可变构件体系，通过构件沿空间内 X、Y、Z 轴方向上的位移引起局部形态的变化，从而实现：对外保障采光、遮阳、保温、节水、节电等节能措施在不同气候下的效用（图 1）；对内在功能上满足不同人群、人数在使用上的需求。3.1 模型概况该标准建筑模型长 13m，宽 4.5m，占地面积约 60m2，建筑面积 28m2，宜南北朝向摆放，场地不限。屋面设有天窗，东面设有侧窗，功能包含厨房、卫生间、起居室、卧室等基本生活单元。内部空间分为两层，楼板可在竖直方向上移动，下层作为公共空间，能够满足聚会、餐饮、盥洗等需要（图 2-1）；上层较为私密，作为工作和休息空间（图 2-2）。模型包含两端向外拓展的室外平台，作为门廊和庭院使用。为收集雨水、放置太阳能板，模型屋顶设计呈V字型，两端扬起，中间下沉（图3-1、图3-2）。3.2 技术设计要点3.2.1 可变钢结构整体结构采用预制装配式钢结构体系，局部使用可变钢构件（图 4）。结构体系由架空底板组件、内围护结构组件、移动楼板组件以及两个外围护结构组件构成。模型具有内外双重围护结构，除围合内部空间的墙体与屋面外，外部设有两个可水平移动的梯形外围护组件，移动方向与长边平行。可变构件作用于三个部分：（1）外部围护结构组件与底板组件的连接（下称 X 位移系统）；（2）底板组件内（下称 Y 位移系统）；（3）移动楼板组件内（下称 Z 位移系统）。在 X 位移系统中，底板沿建筑长边方图 1动态适应性住宅的气候性变化（图片来源：作者自绘）图 2住宅模型平面图（图片来源：作者自绘）图 3住宅模型立面图（图片来源：作者自绘）278向（X方向）设有轨道，通过液压马达带动行走轮，使两个外围护结构组件可沿轨道移动：当组件分别滑动至两端，即为展开状态，此时建筑体量向两侧延长，形成门廊与庭院的灰空间；当组件向中间靠拢，即为关闭状态，此时建筑体量聚拢，外围护组件与墙体及屋面形成双层围护。Y 位移系统是横向移动的室内柜体系统，在建筑底板上嵌入平行于建筑短边（Y 方向）的轨道，在柜体下安装行走轮，可通过控制改变两个柜体在室内的位置，以组成不同的活动空间。Z位移系统采用液压控制对楼板进行移动，可根据空间使用需求调整楼板高度，液压系统由4根立柱、楼板、液压缸、调速阀等构件组成，可实现楼板的锁紧、制动、调速等功能。3.2.2 绿色节能措施在绿色节能策略的选取上，采用被动式节能与主动式节能措施相结合（图 5）：（1）自然采光：本模型优先利用自然光采光，建筑南侧开设大面积的落地窗，北侧设有高窗，东侧设有长窗，另外屋面开设一扇天窗，当南侧外围护组件关闭时，东侧窗户及天窗将被遮蔽。（2）自然通风：夏季开启南向落地窗，盛行的东南风从南面流入，从天窗以及北面高窗流出，带走室内热量，进行被动式降温。冬季，少许西北风自北侧高窗流入，可实现冬季的空气循环。（3）遮阳：可通过控制外围护组件的开合调节遮阳效果，组件向外延伸越多，遮阳效果越好。（4）太阳能光热光电系统：在北侧坡面屋顶放置光伏发电板，主要利用南向阳光生产热能与电能，产生的热能可补偿建筑内热水、采暖的用能，电能可储存在蓄电池中，便于在夜间或阴天使用。当有强烈日光时，可通过展开北侧外围护组件拓展屋面，增大光伏发电板的暴露面积，充分利用太阳辐射，提升发电量。（5）节水系统：本模型中设计了屋面雨水收集系统，V 字型屋面增大雨水接触面积和收集量，便于将雨水引入中间的收集管道中，与房屋底部雨水初步处理系统相连，初步处理系统包括储水池、储水池提升泵、过滤装置、消毒装置等，经过处理的雨水和生活污水可作为非饮用水使用，如冲厕、浇花等。（6）隔热隔声：房屋的围护结构是室内外环境的屏障，在围护组件的内部材料选择上均使用岩棉，该材料具有稳定、耐火、吸音、隔热以及环保的特性。3.2.3 装配式模块化技术该居住模型体量小、结构简易、模数固定，可采用工厂预制生产构件、现场装配施工的工业化方式进行建造。墙板的部分采用预制墙板构件，以轻钢龙骨为框架，室内侧使用可回收阻燃型刨花板，室外侧使用防火隔层和外墙装饰挂板，中间空腔内填充岩棉等隔热隔声材料（图 6）。工厂预制主体结构构件和墙板构件后，运送到现场进行安装，降低现场作业难度，提升安装效率。同时可以发挥快速拆卸、移动便捷的优势，适用于疫情下或灾后临时居住建筑的搭建。3.3 气候适应性本居住模型通过移动建筑外部围护结构实现对气候变化的响应，是一种低能耗下的被动式与主动式相结合的节能策略。随着外部围护结构的位置变化，建筑的空间、与外界的屏障和交互也随之产生变化，建筑与环境之间时刻保持着动态平衡，削弱了环境的不利影响，最大化地利用自然能源。以我国第建筑气候区夏热冬冷地区为例，演示在四季不同的气候条件下，外围护组件如何通过形态变化响应环境：（1）春季（35 月）。春末夏初的梅雨季节多阴雨天气。南侧外围护组件展开，加速雨水收集，屋顶与雨水接触面积增大，可提高雨水收集与利用率，同时天窗与侧窗未被遮挡，增强室内采光。延伸的屋面为后院提供遮蔽，保证了庭院空间的正常使用（图 7-1）。（2）夏季（68 月）。夏季酷暑闷热，雨水丰沛。天晴时光照强烈，对建筑有隔热、遮阳、通风的要求，此时南侧外围护组件关闭，北侧打开。当南侧外围护组件关闭后，起居功能区有双层隔热，同时侧窗被遮挡，可起到遮阳的作用。顶部的风廊有助于降低屋顶温度，打开南北窗户及天窗，空气从南侧流入，从天窗及北侧流出，达到自然通风的效果；北侧组件打开后，太阳能板面积扩大至 2 倍，太阳辐射利用率提高（图 7-2）。当夏季暴雨来袭，两侧的外围护组件均打开，屋顶接纳雨水的面积增至 2 倍，雨水收集与利用率提高。同时延伸的屋面为前院与后院提供遮蔽，形成室内外过渡灰空间，防止室内受潮（图 7-3）。（3）秋季（911 月）。秋季气温适宜，天气凉爽。两侧外围护组件展开，打开侧窗及天窗，增强采光、帮助室内外空气流通（图7-4）。图 5绿色节能技术示意图（图片来源：作者自绘）图 6装配式模块化部件图（图片来源：作者自绘）图 4可变钢结构体系（图片来源：作者自绘）279235|2023|10专题参考文献：1中国大数据网双碳大数据与科技传播联合实验室.中国双碳大数据指数白皮书（2022）EB/OL.2023-01-15.http:/ H.Adaptive architecture-a conceptual frameworkJ.proceedings of Media City,2010,197:522-538.4Brand S.How buildings learn:What happens after theyre builtM.Penguin,1995.5Interactive architecture:adaptive worldM.Chronicle Books,2016.6Elkhateeb A M,Fikry M A,Mansour A A.Dynamic building and its impact on sustainable developmentJ.Alexandria engineering journal,2018,57(04):4145-4155.7Kronenburg R.Flexible:architecture that responds to changeM.London:Laurence King,2007.8Buckman A H,Mayfield M,Beck S B M.What is a smart building?J.Smart and Sustainable Built Environment,2014.9Sherbini K,Krawczyk R.Overview of intelligent architectureJ.1st ASCAAD international conferencee-design in architecture KFUPM,2004:137-152.10Van Ellen L A,Bridgens B N,Burford N,et al.Rhythmic Buildings-a framework for sustainable adaptable architectureJ.Building and Environment,2021,203:108068.11Lelieveld C,Voorbij A I M,Poelman W A.Adaptable architectureJ.Building Stock Activation,2007:245-252.12张卫全,雷志民,智利江.浅议装配式建筑标准化设计J.建筑结构,2022,52(增刊1):1699-1701.13毕雪皎,杨崴,陈译民.气候适应性形态可变建筑的生命周期性能评价J.建筑学报,2020(增刊1):27-32.（4）冬季（12次年 2 月）。冬季湿冷，日温差较小，对建筑有防寒保暖的要求。将两侧的外围护组件关闭，形成双层隔热层，增强保温效果。开启北侧高窗，空气自北侧流入，可满足冬季的空气循环（图 7-5）。3.4 空间适应性居住模型内部的 Y 和 Z 位移系统赋予了较好的空间适应性。Y 位移系统中，地面上嵌有两条横向移动轨道，室内的两个柜体 A 和 B 下方安装行走轮，可沿垂直于房屋长边方向移动。Z 位移系统中，二层楼板可在液压系统的控制下上下移动，楼板既作为首层的天花板和光源，同时也作为二层的床和储物空间使用。通过对可移动柜体和楼板的运用使得空间的划分和增减灵活且可逆，能够适应从单人到多人、短期到长期的多种应用场景，兼具实用性和舒适度：（1）普通模式。日常情况下，首层层高2.6m，柜体A靠东侧、柜体B靠西侧摆放，中间为客厅。使用者可坐在柜体A上休息、阅读，或坐在柜体B旁用餐、工作。此模式适用于12人（图 8-1）。（2）餐厅模式。将餐桌椅从柜体B中取出放置于室内中央时，即为餐厅模式，此时餐桌可容纳至多 6 人（图 8-2）。（3）投影模式。将柜体 A 靠近柜体 B，即是投影模式。使用者以柜体 A 为椅，以柜体 B 为背，观看东侧墙面的投影。此模式适用于14人（图8-3）。（4）活动模式。将柜体 B 靠近 A，即为活动模式。此时可取出储存于柜体 B 后的活动器械，在室内进行适当的运动。此模式适用于 1 2人（图 8-4）。（5）工作或休息模式。下降楼板至首层层高 1.6m，二层层高 1.8 2.6m。可于上层空间的床铺休息，或于两侧书桌工作学习，此模式适用于 1 2 人（图 8-5），当超过2人休息时，可在首层设置临时休息区。（6）聚会模式。当楼板降至首层时，即为聚会模式。层高达到最高，室内空间开敞，使用者可席地而坐，此时敞开门窗可实现室内外交融的空间体验（图 8-6）。结语本文通过对一种兼具气候与空间适应性的临时居住建筑模型的设计研究，探讨了利用装配式技术高效建造动态适应性建筑的可能性。该设计在 2022 年国际建筑设计竞赛 The Tiny House 中获得了特别提名奖（第四名）。在动态建筑的理论基础上，合理运用统一的设计语言，提出一种可变结构体系，通过外部构件的位移充分利用了光、热、水、空气等自然资源实现建筑在不同气候条件下的节能减排；控制内部构件的变化营造多样的生活空间。文中演示了本模型在我国夏热冬冷地区不同季节天气下的使用模式，突破了地区与气候的局限性。设计中优先运用自然采光、通风、遮阳等被动式节能策略；选取保温隔热的墙体结构与材料提升保温性能；设置雨水收集与处理系统；结合光伏发电技术生产电能；在建筑空间的营造上突出室内外空间的流动性；在极小范围内丰富私密与开放共存、灰空间与绝对空间转换的多种空间体验。装配式模块化技术的结合提高生产安装效率、缓解建造成本和后期维护压力，有助于动态适应性建筑走出市场困境。在“双碳”背景下的今天，从建筑设计的角度，市场中仍然稀缺兼具美观、舒适度与功能性的装配式建筑产品，本设计模型可为产业化装配式动态适应性建筑提供思路。图 7气候适应性示意图（图片来源：作者自绘）图 8空间适应性示意图（图片来源：作者自绘）